Caractéristiques et élaboration des échantillons

Comme cela a été rappelé au début du rapport, une alternative à la barrière alumine est la

barrière MgO. Cette dernière est étudiée au laboratoire depuis plus de 5 ans, aussi bien par

épitaxie par jets moléculaires que par pulvérisation cathodique. De plus, en pulvérisation

catho-dique, elle présente une meilleure qualité cristallographique que la barrière alumine, et possède

une tension de claquage plus importante. Utilisée dans des jonctions tunnel magnétiques, elle

permet d’obtenir une TMR bien plus élevée que les jonctions à varrière d’oxyde d’aluminium

(à ce sujet, on se rapportera au chapitre 3). Dans le cas présent, son utilisation est intéressante

car elle possède intrinsèquement une hauteur de barrière plus grande (de 4 eV dans les jonctions

tunnel épitaxiées) que celle d’alumine.

La couche de MgO est directement déposée par pulvérisation cathodique, à partir d’une cible

de MgO, dans un plasma d’argon pur. Il n’est donc plus nécessaire de réaliser une oxydation

d’une couche métallique pré-déposée, comme on le faisait pour l’alumine. Cela élimine le risque

d’interdiffusion à l’interface métal/semi-conducteur. Aussi, on pourra se dispenser d’oxyder le

silicium après décapage.

Les structures étudiées ont essentiellement été réalisées sur le substrat Si(100). Il était

ini-tialement prévu une épitaxie du MgO(100). Mais, ce dernier cristallise dans une structure de

type NaCl (maille cubique), avec un paramètre de maillea= 0.421nm. Le désaccord de maille

5.4. Jonctions MOS à barrière de MgO

important (22,5 %) rend quelque peu délicate la croissance épitaxiale du MgO(100) sur du

Si(100).

Pour y remédier, un certain nombre de stratégies pu être mises en place. On citera par

exemple le dépôt épitaxial de MgO (100) directement sur Si(100) avec des interfaces diffuses,

ou avec la stabilisation d’un composé interfacial d’oxyde de silicium [130] [131] [132]. Pour ce

qui est du dépôt par pulvérisation, Kohn et coauteurs [133] ont montré que jusqu’à 3 nm

d’épais-seur, le MgO préfère une orientation (100) lorsqu’il est déposé sur une fine couche (épaisseur

< 2 nm) de Si oxydé thermiquement. En revanche, lorsque le MgO est déposé directement sur

du Si(100), la couche est amorphe sur presque 2 nm d’épaisseur à partir de l’interface avec le Si.

Nous avons donc testé ces deux cas de figures, avec ou sans couche tampon de SiO

2

, afin de

voir lequel permettra d’obtenir des échantillons de meilleure qualité. Les dépôts sont finalement

effectués par pulvérisation cathodique.

Tout comme pour les structures MOS réalisées à partir d’Al

2

O

3

, une première étape, dite

d’etching, consiste à décaper la surface du substrat avec d’un plasma RF d’argon, pour éliminer

les divers contaminants (eau, oxyde natif. . . ) qui auraient pu s’y adsorber avant l’insertion dans

le bâti. Cette étape est identique à celle utilisée dans le cas de la barrière Al

2

O

3

; en particulier,

on conserve la durée de décapage de 900 secondes. Son augmentation au delà de cette valeur

n’a montré aucune incidence sur les propriétés de l’empilement.

Comme indiqué précédemment, nous pouvons ici soit déposer le MgO (suivi du reste de

la multicouche) sur le substrat décapé, soit oxyder le silicium avant le dépôt du MgO. Dans

ce cas, la surface du semi-conducteur est soumise à un plasma d’Ar+O

₂

(suivant les mêmes

paramètres que ceux présentés dans la section 5.1) de sorte à obtenir une couche de SiO

2

de 2

à 3 nm d’épaisseur. Dans la foulée, le MgO est ensuite déposé sur le SiO

₂

, suivi du dépôt de la

multicouche.

Suite à cette préparation du substrat, le MgO est déposé à partir d’une cible céramique dans

un plasma RF d’Ar pur avec une puissance de 25 W et une pression d’argon de 10

⁻2

mbar.

La couche a une épaisseur comprise entre 2 et 3nm, comme nous avons pu le faire pour les

jonctions tunnel magnétiques.

Les figures 5.18 et 5.19 présentent des images de microscopie électronique en transmission

(MET) à haute résolution, sur des coupes transverses d’échantillons, avec et sans oxydation du

Si, et après un recuit à 300˚C.

Dans le cas où le silicium est oxydé par plasma (figure 5.18), les images de microscopie

montrent successivement, à partir du substrat de Si, la présence des couches suivantes : une

couche de Si amorphe non-oxydé (bande noire) de moins de 2 nm d’épaisseur, puis une couche

de SiO

2

(couleur blanche) d’environ 2,3 nm d’épaisseur, surmontée d’une couche de MgO de

2 nm d’épaisseur. L’identification de la couche de silicium amorphe non oxydé se base sur

les résultats des analyses EELS, effectuées dans la section précédente, sur les échantillons à

barrière d’alumine, où cette couche était également présente.

En changeant de zone d’observation, on voit que le MgO est très mal cristallisé, voire

presque amorphe. Ces observations vont à l’opposé des conclusions de l’étude de Kohnet al.

[133]. L’origine de cette disparité peut s’expliquer par une différence de qualité du SiO

2

entre

les deux études, ce qui rend difficile la transposition de leurs conclusions à notre cas.

FIG. 5.18 – Cliché de microscopie électronique en transmission d’une coupe d’un échantillon

de structure Si / Si-a / SiO

₂

/ MgO / Co / Cu / Co.

Dans le cas du dépôt direct du MgO après le décapage du Si, les choses sont tout à fait

différentes (voir la figure 5.19 et un agrandissement figure 5.20). En partant du substrat de

Si(100), les clichés montrent un empilement qui se compose comme suit : une couche de couleur

noire, identifiée comme étant du Si amorphe non-oxydé (noté Si-a sur les clichés), suivi d’une

fine couche blanche d’épaisseur estimée à 2,1 nm. Cette dernière correspond à la couche de

MgO (2 nm d’épaisseur nominale). On voit également que le MgO est très bien texturé, avec une

texture oriéntée (100). Les conclusions vont ici dans le sens de l’étude de Kohn précédemment

mentionnée ; bien qu’il n’y ait ici pas de SiO

₂

, la couche de silicium amorphe non oxydé sert

de couche tampon, permettant la cristallisation du MgO(100).

Ce type de dépôt permet donc d’obtenir des rugosités de surface très faibles, mais aussi, et

surtout, une couche de MgO de très bonne qualité cristallographique. C’est celui-ci que l’on

uti-lisera par la suite. Les résultats étant satisfaisants pour les besoins de l’étude sur la précession,

nous n’avons pas mené plus loin cette partie de l’étude.

Cela confirme en tout cas l’importance d’une couche amorphe pour obtenir du MgO(100)

avec nos conditions de dépôt. On se rappellera que c’est la base même de la réalisation des

jonctions tunnel CoFeB / MgO / CoFeB, comme on l’a expliqué dans le chapitre 3. Le fait de

déposer le MgO sur les électrodes amorphes de CoFeB permet à celui-ci d’acquérir sa texture

(100). Les recuits en température effectués après le dépôts conduisent ensuite, à continuer sa

cristallisation, ainsi que celle du matériau utilisé pour les électrodes. Ici, on retrouve bien la

planarité et la texture du MgO déposé sur une couche amorphe, mais nous n’avons pas observé

de fortes modifications de la structure cristallographique entre le recuit à 200˚C et 300˚C (figure

5.19) ; nous suspectons que ceci est lié à la non recristallisation du Si amorphe sous jacent.

5.4. Jonctions MOS à barrière de MgO

FIG. 5.19 – Cliché de microscopie électronique en transmission d’une coupe d’un échantillon

de structure Si/Si-a/MgO/Co/Cu/Co à gauche après recuit à 200˚C et à droite après recuit à

300˚C.

qui satisfait aux critères demandés : une barrière d’oxyde cette fois-ci fine (d’épaisseur

nomi-nale qui peut être variée, de manière contrôlée, entre 1 et 3 nm) et une très faible rugosité. Cette

jonction Si(100)/MgO va donc pouvoir servir de base de travail pour la suite de l’étude, qui

consiste à y déposer toutes sortes d’empilements de couches minces ferromagnétiques et

métal-liques.

Cette stucture peut également trouver un intérêt en dehors du présent projet. En effet, des

travaux complémentaires menés dans l’équipe (et non présentés ici) ont permis d’épitaxier du

Fe(100) sur un empilement Si(100)/Si-a/MgO ainsi préparé par pulvérisation. L’intérêt est de

pouvoir réaliser des jonctions tunnel magnétiques épitaxiées en se passant des substrats de MgO,

extrêmement coûteux, habituellement utilisés pour de tels travaux. Ces travaux sont appelés à

se poursuivre dans la thèse d’Amandine Duluard.

5.4.2 Propriétés magnétiques

Couches uniques

Les premiers types d’échantillons testés sur MgO sont de type filtre à spin : ils sont

consti-tués d’une simple couche magnétique, ici du cobalt de 5 nm d’épaisseur, déposée sur la jonction.

L’échantillon est nécessaire pour les premières mesures de transmission, afin de s’assurer que

le courant d’électrons chauds traverse bien la barrière.

Les figures 5.21 et 5.22 présentent les cycles d’aimantation de la couche de Co seule, sur

Si/SiO/MgO et Si/MgO pour différentes épaisseurs de MgO.

FIG. 5.21 – Cycles d’hystérésis pour une couche de Co de 5nm d’épaisseur sur Si/SiO/MgO

2nm et Si/MgO 2nm.

On constate bien, dans tous les cas, que la valeur du champ coercitif est la même (environ

20 Oe) et que la rémanence est toujours unitaire. Ce type d’échantillon est donc, du point de

5.4. Jonctions MOS à barrière de MgO

FIG. 5.22 – Cycle d’hystérésis en fonction de l’épaisseur de MgO pour des échantillons avec

une couche d’oxyde (à gauche) et sans oxyde (à droite).

vue magnétique, tout à fait adapté à la mesure de la transmission d’électrons chauds.

Multicouches magnétiques à aimantations planaires

Une fois acquise la structure de base, nous avons déposé une vanne de spin, à anisotropies

planaires et colinéaires. Nous avons directement retenu la multicouche magnétique qui avait

donné les propriétés les plus satisfaisantes, à savoir celleCo/Cu/Co/IrMn, où la couche dure est

durcie par décalage d’échange grâce à la couche de IrMn.

FIG. 5.23 – Cycle d’hystéresis mesuré par VSM, et cycle de GMR, sur l’échantillon Si(100)-n

décapé / MgO 3nm / Co 5nm / Cu 3,5nm / Co 5nm / IrMn 7,5nm / Pt.

La figure 5.23 présente le cycle d’hystérésis et la mesure de GMR de l’échantillon de

com-positionSi(100)-n décapé / MgO 3nm / Co 5nm / Cu 3,5nm / Co 5nm / IrMn 7,5nm / Pt. Le

cycle d’aimantation est mesuré par VSM (vibrating sample magnometer). La

magnétorésis-tance géante (GMR) est mesurée sous pointes, en configuration deux-points, à une tension de

+10 mV. Pour cet empilement, la GMR vaut 2,7 %.

La figure 5.24 présente le cycle d’hystérésis et la mesure de GMR de l’échantillon de

compo-sitionSi(100)-n oxydé / MgO 3nm / Co 4nm / Cu 3.5nm / Co 4nm / IrMn 7.5 / Pt. On remarquera

FIG. 5.24 – Cycle d’hystéresis mesuré par VSM, et cycle de GMR, sur l’échantillon Si(100)-n

oxydé / MgO 3nm / Co 4nm / Cu 3.5nm / Co 4nm / IrMn 7.5 / Pt.

que la GMR présente une valeur élevée, atteignant 6 %.

Multicouches magnétiques à aimantations croisées

Nous avons enfin travaillé sur la structure à aimantations croisées. Celle-ci est composée

d’une couche de cobalt, d’anisotropie planaire, et d’une multicouche à anisotropie

perpendi-culaire au plan de la couche. Cette dernière est constituée d’un empilement de bicouches de

cobalt/platine (Co/Pt), empilement répété n fois. Les propriétés magnétiques d’anisotropie

non-planaire de ce type de structure sont bien connues [105]. Contrairement aux travaux du chapitre

4, nous n’aurons pas ici à nous préoccuper des problèmes de texturage du MgO, ce qui nous

autorise à utiliser cet empilement.

La couche à aimantation perpendiculaire sera mise en contact avec la structure MOS. Ainsi,

elle assurera la mesure de la précession des électrons obtenue dans la couche ferromagnétique

planaire, après injection à partir d’un faisceau externe. On retrouve l’architecture proposée dans

l’introduction. Avec cette architecture, nous pourrons utiliser n’importe quelle couche

ferroma-gnétique à aimantation planaire. On pourra ainsi étudier la précession pour différents matériaux

et différentes épaisseurs, ce qui permettra de voir l’influence de la valeur des champs

molécu-laires, des longueurs de thermalisation. . .

Il est toutefois difficile de déposer une telle couche directement sur une surface isolante

qui, on le rappelle, favorise la formation de clusters métalliques plutôt que d’une couche

conti-nue. Ici, les multicouches ont été déposées par pulvérisation cathodique, sur un substrat Si(100)

dopé n et décapé, puis recouvert d’une couche de MgO de 2nm d’épaisseur. Les mesures

d’ai-mantation sont réalisées soit par magnétométrie VSM, soit par mesure électrique d’effet Hall

extraordinaire (EHE) [134]. Le tableau 5.1 récapitule les structures étudiées.

La figure 5.25 présente les cycles d’aimantation hors du plan. On constate que, pour une

épaisseur de Co :

5.4. Jonctions MOS à barrière de MgO

FIG. 5.25 – Cycles d’aimantation (mesurés par EHE) des échantillons Co/Pt avec le champ

appliqué perpendiculairement au plan des couches.

Échantillon Structure

1879 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.4|Pt0.48)x5/Co0.4/Cu/Pt

1880 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.3|Pt0.48)x5/Co0.3/Cu/Pt

1881 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.2/Cu/Pt

1882 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.3|Pt0.36)x5/Co0.3/Cu/Pt

1883 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.3|Pt0.36)x5/Co0.3/Cu/Pt

1889 Si(100)/MgO2/Pt5/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.3/Cu/Pt

1890 Si(100)/MgO2/Pt3/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.3/Cu/Pt

1891 Si(100)/MgO2/Pt2/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.3/Cu/Pt

1892 Si(100)/MgO2/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.3/Cu/Pt

1893 Si(100)/MgO2/Pt2/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.2/Cu/Co5/Pt

1895 Si(100)/MgO2/Pt2/(Co0.2|Pt0.48)x5/Co0.2/Cu/Co5/Pt

TAB.5.1 – Tableau récapitulatif de la composition des multicouches étudiées.

1882)

– égale à 0,3 nm, en champ négatif, une structure en domaines se développe (ces

struc-tures ont été visualisées par microscopie Kerr ; la taille des domaines est supérieure au

micromètre).

– égale à 0,2 nm, le renversement de l’aimantation est brutal et la rémanence en champ nul

est égale à 1. Ces propriétés sont conservées même après un recuit à 300˚C.

Les pics qui sont visibles dans les mesures d’EHE proviennent d’un mauvais alignement

accidentel des 4 pointes utilisées pour la mesure d’EHE. Ils disparaissent lorsque les contacts

sont pris proprement, par exemple après définition par lithographie. Dans tous les cas, ils ne

remettent pas en cause l’interprétation des données. Pour notre étude, les meilleures propriétés

sont obtenues lorsque la couche de Co possède une épaisseur n’excédant pas 0,2 nm. C’est cette

épaisseur que nous conservons par la suite.

FIG. 5.26 – Cycles d’EHE mesurés avec le champ magnétique appliqué hors du plan pour les

échantillons 1889 à 1892.

5.4. Jonctions MOS à barrière de MgO

Dans un second temps, nous avons varié l’épaisseur de la couche tampon de Pt, qui aide à

l’obtention de l’aimantation perpendiculaire. Encore une fois, le but est l’étude du transport des

électrons chauds. Il est donc nécessaire de diminuer au maximum l’épaisseur des couches. En

variant l’épaisseur de la couche de Pt de 0 nm à 5 nm (échantillon 1889 à 1892, figure 5.26), il

apparaît qu’on ne peut pas se passer de la couche de Pt inférieure. Une épaisseur minimale de 2

nm est nécessaire.

FIG. 5.27 – Mesure de GMR, avec application du champ magnétique dans le plan de la

multi-couche Si(100)-n décapé / MgO 3nm / Pt 2nm / (Co 0.2nm/Pt 0.48nm)x5 /Cu 3,5nm / Co 5nm /

Pt.

La figure 5.27 présente la mesure de GMR faite sur une vanne de spin à aimantations

croi-sées de compositionSi(100) décapé / MgO 3nm / Pt 2nm / (Co 0.2nm/Pt 0.48nm)x5 /Cu 3,5nm /

Co 5nm / Pt. Elle présente bien les caractéristiques d’une vanne de spin à aimantations croisées.

5.4.3 Propriétés électriques

La multicouche magnétique étant découplée, nous avons effectué des mesures des

caracté-ristiques courant/tension afin de s’assurer que la jonction métal/oxyde/semi-conducteur réalisée

répond bien au cahier des charges énoncé en début de chapitre.

Les caractéristiques de ces diodes MOS montrent (figure 5.28) une qualité suffisantes pour

réaliser des mesures de transmission d’électrons chauds. De plus, la présence de photocourant a

pu être observée sur les caractéristiques courant/tension dans le cas d’échantillons réalisées sur

substrat dopé n.

L’ajustement des caractéristiques courant/tension dans le régime bloqué à l’aide de la

for-mule

J =A

^∗

T

²

exp−φ

_B

k

_B

T ^exp

qV

nk

_B

T

1−exp−qV

k

_B

T

FIG. 5.28 – Caractéristique courant/tension de la multicouche Si(100)-n décapée / MgO 2nm /

Co 5nm / Pt 2nm (échantillon 1806).

oùA

^∗

= 4πqk

2

B

m

^∗

/h

3

, nous permet de déterminer un coefficient d’idéalitén= 1.03. La

résis-tance dynamique de la jonction est de l’ordre du MΩ. Ceci montre que la barrière MOS est de

bonne qualité pour la suite des études du transport d’électrons chauds.

Dans le document Elaboration de jonctions tunnel magnétiques et de jonctions métal/oxyde/semi-conducteur pour l'étude du transport et de la précession de spin d'électrons chauds (Page 130-140)